金相学简史(上)—启蒙与创建


发布时间:2019-12-19 16:13 浏览量 488 views
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金相(Metallography)一词

第一次出现是在1721年的

《牛津新英语词典》上

由Metal(金属)和graph(图片)

两个词根构成

从简单的字面理解

可以认为是金属材料的结构性图片

但是单独一个名词的出现

并不能够代表一门学科的产生

事实上

那一时期的人类

只掌握了炼铁技术或者说是高炉炼钢的雏形

甚至连焦化技术都还没有被引入钢铁生产中

而在那之后一百多年

人类才发明了转炉炼钢和平炉炼钢

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伴随着工业革命开始

人类不光解放了思想文化

也全面解放了工业生产力

随着钢铁产量的上升

各类钢铁产品(钢轨、汽车、各类制造业产品)

出现变形、失效等问题成为人们必须面对的问题

人们开始研究导致失效的原因

多数学者在了解了材料结构概念之后

认为

材料的结构尤其是微观构成

是导致产品失效的主要原因

谈金相学起源,我们先来说说几个重量级人物

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法国物理学家奥古斯特·布拉菲August Bravais(1811—1863),于1845年推导出了三维晶体原子排列的所有14种点阵结构,首次将群的概念应用到物理学,为固体物理学做出了重大贡献。这是非常有意义的结论,为了纪念他,后人称这14种点阵称为布拉菲点阵。

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 布喇菲点阵

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布喇菲晶体结构

在前面的理论和技术发展条件下,魏德曼施(Widma Aloysvon Widmanstatten,德国科学家)使用类似古老的拓碑技术的方法将陨铁的表面图像拓印在图纸上,得到了可以说是世界第一张金相图片。图片之清晰可与近代金相照片媲美,魏德曼施也因此被认为是金相学的奠基人。

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世界首张金相图—魏德曼施1820年拓印的铁陨石图

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铁陨石表面组织

在随后的若干年中,科学家、冶金学家和物流学家们为宏观金相观察的发展做出了几桩有意义的工作。

1817 年J. F.Daniell发现铋在硝酸中浸泡数日后表面出现立方的小蚀坑,建立了用蚀坑法研究晶粒取向的技术,因此而来的化学清洗发和浸蚀法为金相样品制备提供了思路。半个世纪后,1860年W. Luders在低碳钢拉伸试样表面上观察到腐蚀程度与基体不同的条带,他用自己的姓氏称这种滑移带为“吕德斯带”。1867年H.Tresca 用氯化汞腐蚀显示金属部件中的流线,说明金属在加工形变过程中内部金属的流动情况。

同一时期,岩相学领域的发展为金相学带来了“他山之石”。“显微岩相学之父”索比(H. C. Sorby,1826~1908),英国地质学家。出生于英国钢城Sheffield的一个钢铁世家,他酷爱自然,一直是一个从事地质与金属研究的自由研究工作者。晚年热心教育,任谢菲尔德大学的第一任校长。索比是微观岩石学的开拓者,首先运用偏光显微镜研究岩石、矿物的结构,因此被称为“显微岩相学之父”。

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而岩相和金相的观测,都需要足够的显微技术的支持。显微镜的发明和广泛应用,使金相学的产生成为可能。

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上世纪50年代的Zeiss卧式金相显微镜

索比当年制备并观察过的钢样(现在仍有一些保留于Sheffield大学)在1953年拍的显微组织放大倍率为500倍,与当年索比使用的560倍相仿。

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 索比当年观察过的珠光体试样500x

(1953年拍摄于Sheffield大学)

基于索比对于金相学制样和观测方面的贡献,国际金相学者们公认索比是金相学的创建人。在之后的若干年中,人们通过索比建立和归纳的金相样品制备和观测方法,观测了多种不同材质和热处理工艺的钢材,发现了钢铁中的几种不同的金相组织,并加以命名。

在1890年,美国著名金相学家Howe发现了一种工业级别的纯铁金相组织,将其命名为Ferrite(自由铁),即我们常说的铁素体。很快的,人们有发现了白口铸铁中的一次渗碳体组织和莱氏体组织。

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铁素体

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过共晶白口铁莱氏体组织(白色基体为共晶渗碳体)+ 白色条状一次渗碳体,100x

此外,人们发现了铁素体和渗碳体组成的珠光体,早期认为,珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物;而后期的研究发现,这种片层关系有一定的规律性,不同于简单的机械混合,于是产生了共晶、包晶、偏析等概念。而珠光体片层的间距,也与形成温度、降温速率等有一点关系。为了纪念索比,人们将片层间距较细的珠光体称为索氏体(Sorbite);同样为了纪念另一位伟大的法国金相学家托斯特(L.J.Troost),人们将片层间距更细的一种珠光体称为托氏体(Troostite)。

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透射电镜下的索氏体,5000×

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金相显微镜下的索氏体,500×

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金相显微镜下的托氏体

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扫描电镜下的托氏体,5000×

总之

在许多位相关领域的专家

共同努力了大约一个世纪之后

金相样品的制样、浸蚀及显微观察技术

渐渐成型

到19世纪中后期

金相学正式成为了一个

独立的学科门类

出现在欧洲的大学中

而金相学领域的相关理论和高端试验研究

才刚刚开始!!!

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        文章来源: 北科检测,于 2019-12-19 16:13,由 找我测 编辑发表 。

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